Tipuri sau mecanisme de ionizare

Tipuri sau mecanisme de ionizare

Dupa modul de transmitere a energiei catre particulele neutre ionizarea poate fi de volum (spatiala) - cand ionizarea se face in volumul de gaz dintre electrozi - sau de suprafata (superficiala) - cand ionizarea se face la suprafata electrozilor.

In cazul ionizarii spatiale, daca energia este cedata de un ion sau electron avem o ionizare prin ciocnire (prin soc). Daca e cedata de un foton avem fotoionizare spatiala sau daca e cedata de o particula neutra avem termoionizare spatiala.

In cazul ionizarii superficiale, daca ionizarea se realizeaza prin incalzire avem termoionizare superficiala, daca se obtine prin bombardarea catodului cu fotoni avem fotoionizare iar in cazul bombardarii acestuia cu particule grele (ioni, electroni) avem emisie secundara Daca fenomenul de extractie se datoreaza actiunii campului electric avem autoemisie

A.           Ionizarea de volum

A 1. Ionizarea prin soc. Ionizarea prin soc este cel mai important fenomen ce are loc in volumul de gaz dintre electrozi. Ea se realizeaza prin ciocnirea particulei neutre (atom, molecula) cu un electron sau ion.

Considerand un electron cu sarcina e^- care se misca intr-un camp electric de intensitate E cu o viteza v, el capata o energie cinetica w_c = mv²/2 care poate fi, la un moment dat, mai mare decat cea de ionizare w_c w_i. In acest caz, un electron este smuls din particula neutra si dupa ciocnire avem: un ion pozitiv, un electron smuls si electronul incident (fig. 2.3). Aceasta este ionizarea prin soc directa.

Cand w_c > w_i, energia surplus w_c - w_i se transmite ca energie cinetica particulei rezultante.

Daca w_c < w_i , particula neutra este excitata. Cand un alt electron cu w_c < w_i loveste particula excitata ea poate fi ionizata. Aceasta este ionizarea prin soc in trepte.

Fig. 2.3. Ionizarea prin soc directa a atomului

	Fig. 2.4. Ionizarea prin soc in trepte

Este evident ca starile excitate normal, cu o durata de existenta foarte scurta, duc la ionizare numai in cazul unui bombardament foarte intens a gazului cu electroni, in care caz ciocnirile se succed la intervale de timp foarte scurte. In schimb starile excitate metastabile, cu o durata de viata mai lunga, joaca un rol important in procesul de ionizare in trepte.

Alte modalitati de ionizare cand w_c < w_{i ,} sunt:

la ciocnirea unui electron cu un atom excitat poate avea loc trecerea atomului in stare normala, iar energia potentiala eliberata de atom este comunicata electronului, care poate sa aiba astfel suficienta energie, ca la o ciocnire ulterioara, sa se produca o ionizare prin soc directa.

la ciocnirea a doi atomi excitati energia potentiala a unuia se poate transmite celuilalt, ionizandu-l.

Exista o energie cinetica pentru care probabilitatea de ciocnire este maxima, peste aceasta valoare, probabilitatea de ciocnire scade.

A 2. Fotoionizarea spatiala Cand energia unui foton w = hf este mai mare decat cea de ionizare, ea se poate transmite particulei neutre si o ionizeaza. In cazul fotoionizarii mecanismul de ionizare cel mai probabil este cel in trepte, conform schemei:

hf < w_i hf+A A^*  hf+A^* A⁺+e^-

Fotoionizarea poate fi si directa:

hf + A A⁺ + e^-

In situatia in care (radiatii de frecventa foarte mare: a b g), ionizarea este directa iar electronul care rezulta absoarbe diferenta de energie, care se transforma in energie cinetica a acestuia (viteza creste foarte mult). Acesti electroni cu energie cinetica foarte mare se numesc fotoelectroni. Ei pot sa apara si altfel - cu o probabilitate mult mai redusa - si anume prin cedarea energiei fotonului direct catre electron.

A 3. Termoionizarea spatiala. Cu cresterea temperaturii creste viteza medie patratica (de agitatie termica), deci si energia cinetica a particulelor gazului.

Din teoria cinetica a gazelor viteza medie patratica se poate scrie:

, (2.1)

unde k este constanta lui Boltzman (k = 1,38 10^-23 J/K) si m - masa particulei.

Energia cinetica , rezulta:

(2.2)

Daca se produce termoionizarea.

Indiferent de valoarea temperaturii exista intotdeauna o probabilitate de producere a termoionizarilor spatiale pentru ca viteza particulelor este foarte diferita. La temperaturi joase, insa, probabilitatea de termoionizare este foarte redusa (una la 10⁵⁰⁰ ani, la temperatura ambianta).

In realitate, termoionizarile sunt insotite de ionizari prin soc si fotoionizari datorita ciocnirilor cu electroni sau fotoni. La temperaturi relativ joase (sub 5000 ⁰C) ionizarile se datoresc in primul rand electronilor si fotonilor si mai putin ciocnirilor cu particule neutre. Explicatia consta in faptul ca un gaz, cand i se ridica temperatura, incepe sa emita asemenea unui corp negru si radianta sa energetica e proportionala cu T⁴: Re = sT⁴, unde s este constanta lui S. Boltzmann (s 10^-8 W/m² K). Conform legii de deplasare a lui Wien lungimea de unda corespunzatoare puterii de emisie maxime e invers proportionala cu temperatura: unde A este constanta lui Wien (A = 0,28978 10^-2 m K).

Odata cu cresterea temperaturii apar cuante de lumina si deci si procese de fotoionizare spatiala si de aici, electroni ce dau ionizari mai departe. Termoionizarea, la presiune atmosferica, incepe la 5000 ⁰K (temperatura arcului electric) iar la 16000 K aproximativ 50% dintre moleculele gazului sunt ionizate.

Fenomenul de termoionizare nu participa la initierea unei descarcari electrice, ci dupa ce ionizarea s-a produs si apare canalul de plasma, termoionizarea intretine descarcarea.

B.     Ionizarea superficiala

Procesul de eliberare a electronilor de pe suprafata metalului din care sunt executati electrozii poarta denumirea de ionizare superficiala. Ea apare la contactul dintre un metal si un gaz. Metalul, are reteaua cristalina formata din ioni pozitivi plasati in nodurile retelei si electronii de valenta (cvasiliberi) formeaza gazul electronic. Considerand potentialul retelei U₀ ca potential de referinta atunci energia electronilor in retea este zero si in afara ei este pozitiva (+eU₀). Suprafata metalului reprezinta o bariera de potential, electronul aflandu-se intr-o groapa de potential U₀.

Ultimul nivel energetic din atom, ocupat cu electroni, la zero grade Kelvin, este nivelul limita Fermi de energie w_F. Deci, pentru eliberarea unui electron situat pe nivelul Fermi este necesar sa se consume o energie , numita si lucru mecanic efectiv de iesire, egala cu:

(2.3)

B 1. Termoionizarea superficiala Prin incalzirea unui filament, energia cinetica a electronilor sai creste si daca ea depaseste valoarea lucrului mecanic efectiv de iesire acestia pot iesi in exterior.

Existenta unui camp electric permite ca electronii sa se indeparteze de pe suprafata catodului, evitandu-se formarea unei sarcini spatiale negative care ar duce la crearea unei noi bariere de potential, ingreunand procesul de emisie de electroni.

Metalele incalzite emit, de asemenea, ioni. Cum lucrul mecanic efectiv de emisie este, in acest caz, de valoare mai ridicata ca in cazul electronilor, procesul de emisie termoionica este, evident, mai putin intens.

B 2. Fotoionizarea superficiala Daca energia fotonului ce bombardeaza catodul este mai mare decat cea de extractie se poate smulge un electron din electrodul metalic. Eficienta procesului este foarte redusa pentru ca se produc reflexii in metal sau fotonul patrunde in straturi mai adanci. Fotoionizarea este insotita de ridicarea temperaturii gazului.

B 3. Emisia secundara. Emisia electronica secundara se poate datora bombardarii suprafetei unui solid (respectiv a unui metal) cu electroni sau cu particule grele (ioni sau atomi). In cazul emisiei datorita bombardarii cu electroni, o parte dintre acestia sunt reflectati, iar o parte patrund in interior si excita atomul, aducand electronii acestuia pe niveluri energetice superioare. Acesti electroni deplasati, se pot deplasa in continuare spre suprafata, si in cazul in care au suficienta energie, parasesc solidul; acesti electroni se mai numesc electroni secundari.

Emisia electronica, datorata bombardarii cu particule grele prezinta interes in cazul cand aceasta particula este un ion pozitiv. Daca energia ionului e mai mare decat 2 w_ext apare emisia secundara. Procesul se produce in felul urmator: o parte din energia ionului extrage un electron ce neutralizeaza ionul pozitiv si cealalta extrage un alt electron ce trece in gaz.

Emisia secundara poate avea loc si prin bombardarea cu atomi sau molecule, indeosebi daca acestia se gasesc in stare excitata.

B 4. Emisia la rece (autoemisie). Campurile electrice foarte intense, E 1000 kV/cm , pot smulge, prin forta electrica ce apare, electroni din electrozi. Procesul de emisie de camp este independent de temperatura metalului.

Fenomenele de ionizare se caracterizeaza prin trei cifre de ionizare a b si g, care au urmatoarea semnificatie:

a - numarul de ionizari prin soc, realizate de un electron cand strabate un drum egal cu unitatea

b - numarul de ionizari prin soc, produse de un ion cand strabate un drum egal cu unitatea;

g - numarul de electroni smulsi dintr-un catod prin emisie secundara, atunci cand catodul este lovit de un ion pozitiv

Deoarece energia cinetica a ionului, este mult mai mica decat cea a electronului (masa lui fiind mult mai mare decat a electronului viteza sa e mult mai mica ) coeficientul b este mult mai mic decat a b a) si el se poate neglija, b 0. Se tine seama doar de a si g